冷轧过程中金属开裂预测技术的研究

This project has theoretic significance and is extracted from engineering practice. Cold rolling is one of the most momentousa manufacturing technologies in the field of metal forming. Edge cracks and strip breakages are occasionally observed during rolling process, which have significant influence on the production efficiency.The steel strip sustains the complex load change and huge plastic deformation during the rolling process. The current fracture mechanics can't be used to interpret the growth behavior of material's defects. As a new research field between the metallurgy and fracture mechanics, it is still an open question to avoid strip breakage effectively in the world. A damage-coupling constitutive equation is proposed and its evolution is inspected for cold strip under the huge deformation and low stress triaxiality take into account the specific change rule of the stress and strain during the cold rolling process. Using the modified GTN and HLC model the defects growth law is studied and the influence of rolling parameters on the damage distribution and the possible cracking regions are determined. The feasibility and accuracy of the modified damage model used for the cold rolling condition are verified by comparison by large scales of numerical simulations outcomes and the experiments results. The appropriate fracture parameter is thus deduced for the rolling condition based on the numerical simulation and test analyses results. Using the function of the dislocation density and the critical minimum energy, the relationship between the grain size and morphology and the fracture toughness is induced. The curves of the crack extension force and crack propagation resistance are compared during the rolling process and the framework of the fracture analysis for the cold rolling condition can be established finally.

本项目是一个从工程实践中提炼出的具有理论价值的课题。冷轧是一种重要的制造技术，断带和开裂是影响连续轧制和产品成材料率的重要因素。轧制过程中金属承受复杂的载荷和巨大塑性变形，其断裂过程无法用现有断裂力学理论予以描述，国内外都缺乏有效控制轧制断裂的理论研究，该问题属冶金学和断裂力学交叉的边缘科学问题。本项目针对高硅钢冷轧断裂这一工程难题，从研究轧制过程中材料内部应力应变场变化规律入手，建立材料大变形、负应力三轴度下材料损伤本构及演化；通过引入修正GTN模型及HLC损伤模型，研究材料内部缺陷扩展规律，获得轧制参数对损伤分布的影响以及带钢轧后裂纹出现的位置和范围，分析得到适合表征材料轧制过程的断裂参量；利用位错动力学计算出位错密度与临界最小能变间的函数关系，归纳出轧后晶粒形貌尺寸对断裂韧性的影响，获得轧制过程中的裂纹扩展驱动力和扩展阻力的变化曲线。项目研究的最终结果是建立起轧制断裂失效评定准则，推动断裂力学和轧制理论的发展。

提高冷轧薄板质量、降低薄板断裂事故是发展冷轧技术的关键所在。由于冷轧薄板的应力状态变化复杂、影响因素众多，有效控制薄板质量的理论基础还非常薄弱。针对这一难题，本项目通过理论推导、数值仿真及实验验证，对冷轧过程中的带钢断带问题进行了研究，取得了一系列研究成果。首先利用有限元法分析了轧制过程的应力应变过程，发现传统的断裂评定准则都不适用于轧制过程传统。其次采用介观损伤力学的方法对轧制断裂进行研究，考察了轧制过程中应力三轴度的变化，发现了沿轧制方向上的应力三轴度变化规律，特别是低应力三轴度状态与常规的介观孔洞损伤模型假设间的区别。基于这一发现，发展了常规GTN模型，考虑了剪切项对孔洞损伤的影响，对GTN模型的损伤演化机制进行修正，给出了孔洞剪切变形对损伤演化贡献的表达式，利用不同几何形状的试样进行拉伸实验，获得相应的参数，并将改进的GTN模型内嵌进有限元计算中，对冷轧过程中的带钢内部损伤演化进行了研究。分析了压下率、前后张力、摩擦系数、轧辊半径等工艺参数对冷轧断带的影响，并通过析因分析和正交试验设计方法分析了不同工艺参数对边部缺陷开裂行为的影响和开裂规律。研究结果表明，压下率和张力为边部裂纹扩展的主要影响因子，其中压下率的影响最大，摩擦系数和轧辊直径为次要因子，按照影响的显著程度排序依次为：压下率，单位张力，摩擦系数和轧辊直径；裂纹长度随着压下率、单位张力和摩擦系数的增大而增加，随着轧辊直径的增加而降低。另外，研究还发现压下率达到一定程度时，边部缺口前缘会出现一主一次两条裂纹，其中主裂纹首先出现在缺口尖端并沿着与轧制方向呈约45方向扩展；而次裂纹稍后出现并沿着与轧制方向约成135°的方向扩展。这一特殊的裂纹分叉现象与实验结果完全吻合，说明本研究提出的研究理论及方法具有高度的可行性和准确性。最后，提出一种轧制断裂判据，并结合自主设计研发的带钢边部缺陷在线检测装置对带钢边部缺陷进行实时在线检测。检测结果表明通过在线边部缺陷检测证明了所提出的轧制断裂判据可以准确地对边部缺陷的开裂行为。.基于本项目的开展，至今已发表论文9篇，其中SCI 收录3篇，EI收录6篇，ISTP检索论文1篇，另外申请相关专利2项。